[發明專利]一種用于太陽直接輻射測量的自由曲面反射鏡的設計方法

有效

• 申請號: 202111521370.6
• 申請日: 2021-12-15
• 公開（公告）號: CN114200670B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發明（設計）人: 張健;崇偉;張國玉;呂文華;孫高飛;賀曉雷;劉石;邊澤強;蘇拾;徐達;楊松州;孟遙;任太陽;楊曉彤;運志坤
• 申請（專利權）人: 長春理工大學;中國氣象局氣象探測中心
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B5/10;G01J1/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種用于太陽直接輻射測量的自由曲面反射鏡的設計方法，其特征在于具體步驟如下：

(1)設置自由曲面反射鏡的光路結構，待測光線位于所述自由曲面反射鏡上方接收角范圍之內，接收面位于所述自由曲面反射鏡右側，所述待測光線為太陽直接輻射光線，當待測光線經過自由曲面反射鏡時都能反射在傳感器中心被接收；根據初始設計對自由曲面反射鏡進行自由曲面設計；

(2)以自由曲面反射鏡的光軸O'O的方向為x軸正方向建立直角坐標系xyz，根據太陽直接輻射光線不同角度對步驟(1)所確定的自由曲面反射鏡的自由曲面的面型坡度不同，首先建立太陽直接輻射光線與自由曲面反射鏡面型的映射關系，將夏至日正午太陽直接輻射光線、冬至日正午太陽直接輻射光線以及與二分日正午太陽直接輻射光線在自由曲面反射鏡的入射點用S、W、O表示，其對應的自由曲面反射鏡面型坡度為γ_S、γ_W、γ_O，其公式為：

其中β_S為夏至日正午太陽直接輻射光接收視場、β_W為冬至日正午太陽直接輻射光接收視場、α_S為夏至日正午太陽直接輻射光線入射角度、α_W為冬至日正午太陽直接輻射光線入射角度；

(3)根據步驟(2)將太陽直接輻射最大入射區間(-α_S，α_W)內所有光線代入上式可得出反射鏡所需包含面型坡度范圍，將自由曲面反射鏡有限元劃分,按特定坡度間隔均分，以劃分后Y軸方向微元長度h_i進行反射鏡面型調控，第i個離散點C_i的位置為(x_i,y_i)；

(4)由于自由曲面反射鏡中夏至日、冬至日太陽直接輻射光線位于對應的反射微元處在整體結構的邊緣位置，會造成輻射采集過程中的能量傳遞缺失，面型擬合過程中擬合邊緣也會帶來邊界誤差，因此，將求取后的坡度區間兩端適當拓寬長度η，拓寬后坡度區間為(ρ_S,ρ_W)，ρ_S為夏至日正午太陽直接輻射光線拓寬后入射角度，ρ_W為冬至日正午太陽直接輻射光線拓寬后入射角度，區間長度ρ＝︱ρ_S-ρ_W︱，此時將獲得的n個坡度特征依次賦予劃分后的反射單元，可得各離散點C_i的坐標位置方程組為：

其中，D為自由曲面反射鏡直徑，k_i為系數，γ_i為任意角度太陽直接輻射光線反射至傳感器中心面型的坡度；

(5)構造特征函數即得到自由曲面反射鏡結構表達式：

U(x)＝x₁N₁(x)+x₂N₂(x)+…+x_nN_n(x)

(6)根據步驟(5)中的反射鏡結構表達式擬合即可得到用于太陽直接輻射測量的自由曲面反射鏡的自由曲面面型。

2.根據權利要求1所述的一種用于太陽直接輻射測量的自由曲面反射鏡的設計方法，其特征在于所述的自由曲面反射鏡的自由曲面面型為橢球形。

3.根據權利要求1所述的一種用于太陽直接輻射測量的自由曲面反射鏡的設計方法，其特征在于所述的自由曲面反射鏡的自由曲面的各個特定坡度的反射率不同，自由曲面反射鏡的周圍介質為空氣。

4.根據權利要求1所述的一種用于太陽直接輻射測量的自由曲面反射鏡的設計方法，其特征在于所述的傳感器中心有接收面，可實現數據觀測。

5.根據權利要求1所述的一種用于太陽直接輻射測量的自由曲面反射鏡的設計方法，其特征在于所述的自由曲面反射鏡光軸與地軸平行，并繞光軸沿地球周日運動方向反向旋轉，從而抵消太陽高度角和方位角帶來的變化，實現精準測量。